universidad de chile departamento de ingenieria civil
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UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y MATEMATICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL MECANICA
DEMOCRATIZACIÓN DE LA IMPRESIÓN 3D CON FOTOPOLÍMEROS
MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE
INGENIERO CIVIL MECANICO
ARIEL ALEJANDRO CALDERÓN AVENDAÑO
PROFESOR GUIA:
JUAN CRISTOBAL ZAGAL MONTEALEGRE
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
MARCO ANTONIO BEJAR VEGA
AGUSTÍN VILLENA MOYA
SANTIAGO DE CHILE
SEPTIEMBRE 2012
Resumen ejecutivo
Las impresoras 3D son máquinas que permiten producir objetos tridimensionales físicos a partir de un modelo virtual o sólido, diseñado
desde algún programa CAD.
Un movimiento de crear impresoras 3D de tipo Open (libres de ser
reproducidas o modificadas), ha permitido un desarrollo de parte de
comunidades que han visto cómo la tecnología mejora, esto también ha atraído a empresas a tener su propia oferta de impresoras 3D, como
resultado se ha visto una baja en el precio considerable además de un
menor tamaño, que ha permitido crear el concepto de impresora de
escritorio para el hogar.
En esta memoria se diseña y construye a BeamMaker, una
impresora 3D que utiliza fotopolímeros para la creación de piezas, junto con ella se desarrolla un software para utilizar con la misma. Se requiere
que la máquina sea de carácter Open con el objetivo de su fácil
masificación y modificación, además de un precio bajo (menos de 500
dólares), ya que el objetivo es llevar esta tecnología a los hogares.
La tecnología de polimerización utiliza una fuente de luz, que va curando capa a capa el objeto a crear, se utiliza un fotopolímero que es
sensible a una longitud de onda de luz visible, para así utilizar un
proyector como fuente de luz, esto permite bajar los costos
considerablemente.
Durante el diseño de la impresora se observan una serie de
problemas que se han de solucionar para así lograr imprimir de manera correcta, entre estos problemas se encuentra la adherencia del objeto a
la bandeja móvil de polimerización y a la piscina de polímero, además
de problemas por la viscosidad del material para refrescar una capa
nueva.
Con el objetivo de conocer las mejoras que tiene BeamMaker con respecto a las impresoras actuales, se hace una comparación
imprimiendo la misma pieza, para 2 tipos de impresora y BeamMaker,
los resultados muestran mejoras tanto a simple vista como en las
medidas del objeto, la figura impresa con BeamMaker tuvo un error
medio en las medidas de 0.03 mm, mientras que las otras impresoras tuvieron errores de 0.4 y 0.3 mm, mostrando que efectivamente
BeamMaker es un aporte respecto al desarrollo de esta tecnología.
Dedicatoria y agradecimientos
A mi Familia
Mi hermana Paloma que pese a que ya no esté en Chile, me
recuerda siempre que los objetivos en la vida son para alcanzarlos y no
hay sueños imposibles. Mi Padre Nibaldo ejemplo de esfuerzo y que el
trabajo duro siempre es recompensado. Mi Madre Purísima que me
enseñó que la constancia y la disciplina son indispensables en la vida.
A mis amigos
Que gracias a ellos, estos años en la universidad han sido más
llevaderos, independiente qué tan ocupado estés, siempre es importante
darle tiempo a las amistades.
A mis profesores
En especial a Juan Cristóbal que desde hace años mostró
confianza en lo que podíamos hacer, criticando de manera constructiva
para hacernos crecer como ingenieros. Al profesor Marco Antonio que
me enseñó que la ingeniería no se acaba en el papel, sino que es su
comienzo. Quizás estas fueron las razones por las cuales los elegí como
profesores guía.
A los compañeros del laboratorio
Estos meses de memoria han sido de mucho aprendizaje gracias a
este grupo de personas, nuestras diferencias han permitido que
enriquezcamos nuestros conocimientos, además el tiempo generó una
amistad más allá del trabajo.
I
Índice
1 Introducción ................................................................................................................................ 1
1.1 Objetivos ............................................................................................................................. 2
2 Antecedentes .............................................................................................................................. 2
2.1 Democratización de la invención ........................................................................................ 2
2.2 Impresoras 3D ..................................................................................................................... 3
2.2.1 Tecnologías .................................................................................................................. 4
2.2.2 Metodologías de impresión......................................................................................... 4
2.2.3 Impresoras 3D actualmente ........................................................................................ 6
2.2.4 Aplicaciones ............................................................................................................... 17
2.3 Fotopolímeros ................................................................................................................... 19
2.3.1 Proceso ...................................................................................................................... 19
2.4 Sistema de impresión para una impresora 3d de fotopolímeros. ..................................... 19
2.5 Archivos 3D STL ................................................................................................................. 20
3 Metodología .............................................................................................................................. 21
3.1 Síntesis del polímero y calibración de curado ................................................................... 21
Realización del fotopolímero ........................................................................................................ 21
Prueba del fotopolímero ............................................................................................................... 24
3.1.1 Resultados observados .............................................................................................. 24
3.2 Diseño de impresora 3D .................................................................................................... 27
3.2.1 Hardware ................................................................................................................... 30
3.2.2 Estructura .................................................................................................................. 30
3.2.3 Posicionamiento ........................................................................................................ 31
3.2.4 Electrónica ................................................................................................................. 31
II
3.2.5 Software .................................................................................................................... 32
3.3 Manufactura de la impresora ............................................................................................ 36
3.3.1 Motor y bomba .......................................................................................................... 36
3.3.2 Controlador ............................................................................................................... 37
3.3.3 Cuerpo de acrílico y pernos con sus tuercas ............................................................. 38
3.3.4 Tornillo de bolas recirculantes y acople a motor ...................................................... 38
3.3.5 Ejes, rodamientos y cuerpo soporta rodamiento ...................................................... 39
3.3.6 Espejo ........................................................................................................................ 40
3.3.7 Armado ...................................................................................................................... 41
3.4 Pruebas de curado, Impresiones básicas y calibrado ........................................................ 43
3.4.1 Múltiples pruebas erróneas ...................................................................................... 43
3.4.2 Resolviendo el problema de la antiadherencia ......................................................... 47
3.4.3 Resolviendo el problema de la pérdida de calidad ................................................... 48
3.4.4 Resolviendo el problema de la adherencia con impresiones de más de 2.5 mm. .... 49
4 Resultados ................................................................................................................................. 52
4.1 Evolución en la calidad de impresión ................................................................................ 52
4.2 Comparación de resolución con otras impresoras ............................................................ 53
4.3 Comparación de características con otras impresoras ..................................................... 55
4.4 Otros usos encontrados .................................................................................................... 56
4.5 Limitaciones ....................................................................................................................... 57
5 Análisis y discusión de resultados ............................................................................................. 58
5.1 Sistema de impresión final ................................................................................................ 58
5.2 El fotopolímero .................................................................................................................. 59
5.3 El proyector ....................................................................................................................... 59
5.4 Arduino .............................................................................................................................. 59
5.5 El software ......................................................................................................................... 60
III
5.6 BeamMaker ....................................................................................................................... 60
5.6.1 Costo .......................................................................................................................... 60
5.6.2 Resolución ................................................................................................................. 60
5.6.3 Portabilidad ............................................................................................................... 61
5.7 Democratización de la tecnología (Open Hardware) ........................................................ 61
5.8 Futuro ................................................................................................................................ 62
6 Conclusiones .............................................................................................................................. 63
7 Bibliografía ................................................................................................................................ 65
Anexos ............................................................................................................................................... 66
1
1 Introducción
La fabricación personal [1] ya es una realidad con la existencia de las
impresoras 3D, éstas cambiaran por completo el modo actual de
manufactura industrializada.
La democratización de la invención [2] consiste en poner en manos de
las personas los medios de producción actualmente utilizados por las más grandes empresas.
Se está llevando un movimiento que consiste en la creación de
hardware libre, lo que significa que se puede tener acceso a tecnología, a
precios de costo de producción, esto abriría las puertas hacia un futuro
donde no se requiera grandes sumas de dinero para tener acceso a la tecnología.
Dentro de este movimiento de hardware libre se encuentran algunas
impresoras 3D, las cuales han tenido un gran impacto debido a su precio tan
bajo, comparativo a las impresoras 3D comerciales.
El desarrollo de impresoras 3D ha llevado a la existencia de diferentes
métodos de impresión, cada una con alguna característica que la distingue. El norte está en lograr resoluciones cada vez más altas, lo que permite crear
objetos de mayor complejidad. Entre las diferentes tecnologías de impresión
3D, están las de modelado por deposición fundida [3] las cuales ya se
encuentran a precios medianamente accesibles, pero su resolución es
demasiado limitada, otra tecnología es la de fotopolímeros que tiene gran resolución pero los precios tanto de las máquinas como de sus materiales es
muy elevado. Más adelante se hará un análisis acerca de las tecnologías de
impresión 3D y sus características.
Los fotopolímeros son materiales que poseen la propiedad de
reaccionar ante luces de ciertas longitudes de onda, la reacción produce un
endurecimiento que permite darle forma a gusto. Con éstos materiales se puede obtener una excelente definición de impresión. Esta tecnología de
impresión aun no ha sido llevada a al hardware libre, por lo que todas las
impresoras de este tipo son extremadamente costosas.
2
1.1 Objetivos
El objetivo general de esta memoria consiste en la invención de una
impresora 3D de fotopolímeros libre de patentes, para así compartir la
metodología de construcción. Para esto, como objetivos específicos está el
diseño y la manufactura de la impresora, calibración con el fotopolímero que se utilizará, impresión de figuras básicas piloto y comparación con otras
impresoras.
2 Antecedentes
2.1 Democratización de la invención
La democratización de la invención consiste en el acceso de cualquier
persona a la creación, diseño y manufactura de elementos, es decir llevar la
tecnología a manos de la gente común [4]. Los enormes precios de las
maquinarias o softwares necesarios para convertirse en un inventor, crea
una distancia enorme entre las personas y el mundo de la invención. Desde la revolución industrial se ha visto que todos los elementos que
utilizamos en nuestra vida cotidiana se hacen en grandes cantidades debido
a que su costo disminuye, pero dejando a los usuarios completamente
ignorantes del cómo funcionan o cómo fue su desarrollo. Además que todo el
mundo está obligado a elegir entre una gama dada por la empresa creadora, en otras palabras el usuario apenas puede elegir el producto.
La masificación de la computación, además de lo económico que es
hacer productos digitales (solo hace falta tener un computador y los
conocimientos necesarios), creó el concepto de software libre, que consiste
en programas libres de patentes diseñados por usuarios, por lo que dejan sus inventos en internet, para que cualquier otra persona gratuitamente los
baje y utilice.
Gracias al desarrollo de software libres, se ha visto que cada vez más
usuarios desde sus hogares tienen una mayor participación en la creación de
software, y de ese modo alejarse de las empresas que venden patentados sus programas a precios demasiado altos para un individuo.
Así mismo apareció el concepto de hardware libre, que consiste en
máquinas funcionales libres de patentes que en base a una lista de
materiales y las ganas de construir, permiten a las personas acceder a la tecnología a precios de costo (muy bajos).
Junto con este movimiento del hardware libre, se comenzaron a
desarrollar impresoras 3D libres de patentes, máquinas que son capaces de
prototipar objetos creados por el usuario en su propia casa, la idea era
llevar el prototipado a cualquier persona. El ideal de democratizar la
3
invención está cada vez más cerca gracias a las impresoras 3D libres de
patentes.
2.2 Impresoras 3D
Las impresoras 3D crean objetos tridimensionales desde archivos
digitales usando materiales de impresión, de manera similar a las impresiones en papel. Los archivos se crean mediante la adición de material
en capas sucesivas
Desde el 2003 se ha observado un crecimiento en las ventas de impresoras 3D, adicionalmente el precio de éstas ha bajado. La tecnología
ha encontrado campos en joyería, diseño industrial, arquitectura, ingeniería,
prototipado rápido, aeroespacial, dental e industria médica, además de
muchas otras.
Existen varias tecnologías de impresión 3D, sus diferencias se
encuentran en la forma de crear las capas para construir el sólido, algunos
métodos usan fundición o ablandamiento, también hay otros métodos para
materiales líquidos que son curados con diferentes tecnologías.
Cada método tiene ventajas y desventajas, las consideraciones
importantes son la velocidad de impresión, costo de impresión (materiales) y
costo de la impresora 3D.
El método más popular para impresión 3D es mediante modelado por deposición fundida , la impresora crea el modelo adhiriendo material en
estado maleable mediante líneas, achurando una capa del objeto, luego
cambia su altura para achurar la siguiente capa, finalmente el proceso se
repite hasta obtener el modelo. Ejemplos de ésta tecnología serían la
impresora Open Source MakerBot y la 3d Touch, que imprimen con ABS y PLA . Una ventaja de estas impresoras es que se ha ido bajando su costo
hasta precios similares al de un computador personal y los materiales que
utilizan son de un precio accesible, pero su resolución es limitada.
La otra tecnología más utilizada es la de fotopolimerización, donde se
pueden crear objetos de gran resolución, ésta tecnología consiste en un material liquido al cual le enfocan un laser o luz, el material sólo cura los
lugares donde el laser o la luz fue emitida, luego el resto no reacciona. Se
pueden hacer figuras muy pequeñas y de gran complejidad gracias a su alta
resolución, el problema está en el alto costo de estas impresoras y del
material de impresión. Es por esto que diversos grupos están desarrollando este sistema, intentando abaratar los costos. Esta memoria busca desarrollar
una impresora Open Source de fotopolimerización de bajo costo que pueda
llegar al alcance de cualquier persona gracias a internet.
4
Ilustración 1 impresora 3D Fab@Home hecha un la U. de Chile.
2.2.1 Tecnologías
Existen variados métodos para impresión 3d, se expone una tabla con métodos y materiales que utilizan.
Tabla 1: Tecnologías de impresión 3D
Tecnología Materiales utilizados
Sinterización por laser selectivo (SLS) Termoplásticos, polvos metálicos, polvos cerámicos
Sinterización directa en metal por laser (DMLS)
Aleaciones metálicas
Modelado por deposición fundida(FDM) Termoplásticos y metales eutécticos
Estereolitografia (SLA) Fotopolímeros
Manufactura de objetivo por laminado (LOM)
Papel , films plásticos
Fundido por rayo electrónico (EBM) Aleaciones de titanio
Impresión 3d por polvos e inyección de tinta(PP)
Yeso
2.2.2 Metodologías de impresión
Las tecnologías mencionadas se utilizan con las siguientes metodologías:
5
Deposición por plástico moldeado
Es una tecnología desarrollada por Stratasys (empresa que se dedica a
vender impresoras 3D), se comenzó a comercializar en los 90´s.
Esta tecnología trabaja usando filamentos plásticos o cables metálicos que se guardan en un carrete, desde donde se suple al extrusor (que maneja
el flujo de material). El extrusor es calentado para llevar al material a un
estado maleable, el movimiento del extrusor que es controlado
numéricamente por un software, permite entregar material en sentidos
horizontales y verticales. Al salir del extrusor el material baja su temperatura endureciéndose y así formando el objeto, achurando con material las capas
necesarias para darle la forma correcta.
Esta metodología la utilizan las impresoras de tipo FDM (modelado por deposición fundida) y los materiales más utilizados en este tipo de impresión
son: ABS, PLA, PC, etc.
Enlace de materiales granulados
En una cama de material granulado, se funden las capas necesarias
para formar el objeto. El mismo material que no está fundido sirve de soporte, por lo que no requiere material de soporte.
Generalmente se utiliza un laser para sinterizar el medio y formar el
sólido. Ejemplos de este método son sinterización por laser selectivo (SLS),
sinterización directa en metal por laser (DMLS), fundido por rayo electrónico (EBM) y de polvos con inyección de tinta (PP).
Como materiales se pueden utilizar polvos metálicos, polvos plásticos y
yeso.
Fotopolimerización
Se expone el polímero a imágenes, las cuales indican los lugares donde el material se requiere curado, así sólo los lugares expuestos endurecen
formando una capa del objeto, luego una bandeja cambia ligeramente de
altura, para así exponer otra capa. El proceso se repite hasta formar el
objeto.
6
La principal tecnología donde se utilizan fotopolímeros para obtener
objetos es la estereolitografia (SLA) y los materiales que utiliza son
fotopolímeros.
2.2.3 Impresoras 3D actualmente
Existe una variedad de impresoras 3D en la actualidad. Debido a la explosión de ventas se han creado empresas que se han unido al rubro,
además de la aparición de impresoras Open Hardware.
A continuación se expondrán las impresoras 3D más importantes:
2.2.3.1 Fab@Home
Fab@Home [5] es un proyecto Open Source para el desarrollo de la
fabricación personal, que permitiría traer la fabricación personal al hogar. Miembros de este proyecto pueden ser cualquier persona que desee utilizar
sus habilidades para desarrollar hardware, software o simplemente aquellos
que utilicen la impresora para hacer objetos únicos. La comunidad incluyen
cientos de ingenieros, inventores, artistas, estudiantes y hobbystas en todos
los continentes, que se comunican mediante el blog o foro de la impresora.
El objetivo principal de Fab@Home es brindar un dispositivo que permite a la gente personalizar objetos, crear un mundo donde la comida, un
repuesto u otro objeto, pueda ser obtenido luego de algunos clics. Sin
retrasos de envío, sin monopolios de los productores, solo clic e impresión.
Este concepto es realmente una revolución digital que permite libertad
de creación, lo que hace posible vender o comprar objetos virtuales. Su siguiente paso consiste en lograr formar artefactos completamente
funcionales [6].
Mejoras de Fab@Home fueron creadas gracias al aporte de diferentes
grupos de trabajo, así creando nuevas versiones de la misma impresora y
nuevos extrusores que pueden utilizar materiales termoplásticos.
Especificaciones técnicas
Volumen de impresión: 200mm x 200mm x 200mm
Espesor de capa eje Z: ~0.3mm
Resolución X/Y: ~0,3 mm
7
Medidas: 490mm x 385mm x 330mm
Materiales: Líquidos y pastas que puedan ser extruidas por una jeringa
como las siliconas, con extrusores especiales puede imprimir ABS Y PLA.
Tipo De archivos CAD: STL
Ilustración 2: Fab@Home versión 2[6]
2.2.3.2 RepRap
El proyecto RepRap [7] se inició como una iniciativa de máquina autoreplicante con la idea de utilizar el concepto de evolución. El creador
visionaba la distribución a bajo costo de la máquina (en ese entonces no
existían impresoras 3D de bajo costo) a personas y comunidades.
La principal meta del proyecto RepRap, es producir un aparato
auténtico auto-replicable, para ponerlo en las manos de individuos en
cualquier parte del planeta y con una mínima inversión de capital. Un
sistema de fábrica de escritorio que permite a cualquier persona la fabricación de objetos para su vida cotidiana.
La naturaleza de auto-replicación de RepRap también puede facilitar
una diseminación viral y podría facilitar una revolución en el diseño y manufactura de productos. Cambiando desde una producción en fábrica de
productos patentados a una producción personal de productos sin patente y
8
con especificaciones libres. Dando apertura al diseño de productos y
oportunidades de manufactura a cualquier persona.
Desde un punto de vista teórico, el proyecto intenta probar la
siguiente hipótesis:
“Prototipado Rápido y tecnologías de escritura directa ("direct writing" en
ingles) son suficientemente versátiles para permitir ser usadas en la creación
de un Constructor Universal”.
Es una impresora de tipo FDM, este método de impresión se volvió
muy popular y es seguido por muchas impresoras posteriores.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: 200mm x 200mm x 140mm
Espesor de capa eje Z: ~0.3mm Resolución X/Y: ~0,3 mm
Medidas: 500mm x 400mm x 360mm
Tipo archivos CAD: STL
Materiales: ABS Y PLA.
Ilustración 3: Impresora 3D RepRap[7]
9
2.2.3.3 MakerBot Industries.
MakerBot Industries es una empresa que diseña impresoras 3D Open
Hardware y vende sus kits o piezas para que la gente las arme (aunque
también venden las impresoras armadas). Al interior de MakerBot existen 3
impresoras 3D, todas comparten una estructura básica que es la siguiente.
Un sistema 3D de posicionamiento
Una electrónica que permita su control Tecnología Open Hardware
CNC CupCake
Cupcake CNC y las otras impresoras de MakerBot son un producto
derivado del proyecto RepRap. Sus objetivos son similares, construir una
impresora 3D de bajo costo. CupCake se centra en una máquina de bajo precio, de confianza y fácil de usar/hackear. Según ellos mismos mencionan
que RepRap al centrarse en el concepto de autoreplicación se alejan del
concepto de una máquina que funcione bien.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: 100mm x 100mm x 130mm
Resolución (motor) X/Y: 0.085mm Resolución (motor)en Z: 3.125 micrones
Máxima velocidad de avance en X/Y: 5000mm/minuto
Máxima velocidad de avance en Z: 200mm/minute
Espesor de capa eje Z: 0.3725mm
Medidas: 350mm x 240mm x 450mm Tipo archivos CAD: STL
Materiales ABS y PLA
Al ser un proyecto Open Source están los planos y software libres, para
que cualquier persona pueda crear la suya propia.
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Ilustración 4: CNC CupCake, se puede apreciar que es una impresora muy tosca ya que es la primera de las herramientas creadas por MakerBot Industries.
Thing-o-matic
Impresora 3d FDM Open Source al igual que sus hermanas, su característica diferencial consiste en que no es el extrusor el que se mueve,
sino que es la bandeja la que es móvil, permitiendo crear los objetos. Utiliza
controlador Arduino Mega lo cual hace más fácil su reproducción.
Especificaciones técnicas
Volumen de impresión: 100mm x 100mm x 100mm Resolución (motor) X/Y: 20 micrones
Resolución (motor) en Z: 5 micrones Máxima velocidad de avance en X/Y: 5000 mm/minuto
Máxima velocidad de avance en Z: 1000mm/minuto
Espesor de capa eje Z: 0.3mm
Medidas: 300mm x 300mm x 400mm
Tipo archivos CAD: STL Materiales ABS y PLA
Placa Arduino Mega.
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Ilustración 5: Thing-O-Matic se puede apreciar que es como una versión más depurada de CupCake
The Replicator
Posee las mismas características que la anterior, pero con 2 extrusores
que le permite utilizar 2 materiales al mismo tiempo, también posee un
cuerpo más grande para así tener un mayor volumen de impresión.
Especificaciones Técnicas
Volumen de impresión: 225mm x 145mm x 150mm
Resolución (motor) X/Y: 0.085mm
Resolución (motor) en Z: 3.125 micrones Máxima velocidad de avance en X/Y: 40 mm/segundo
Máxima velocidad de avance en Z: 200mm/minute
Espesor de capa eje Z: entre 0.2 y 0.3 mm
Medidas: 320 x 467 x 381 mm
Tipo archivos CAD: STL Materiales ABS y PLA
Placa mightyboard
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Ilustración 6: The replicator ultima versión en impresoras 3D de MakerBot Industries.
2.2.3.4 3D System
Es una empresa que desarrolla y vende impresoras 3D, sus impresoras
no son Open pero son muy bien vendidas, por lo que es interesante analizarlas.
Z printer
Existe una gran variedad de este tipo de impresoras, sus diferencias
están más que nada en el volumen de impresión (y su tamaño también),
además del número de colores que puedes imprimir.
Son de tipo SLS, utilizan polvos de colores, de tal modo que la
densidad de cada polvo permite imprimir en muchos colores, obviamente el
precio tanto de las impresoras como del material es altísimo.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: hasta 500 x380x230 mm depende del modelo Resolución X/Y: 600x540 DPI
Espesor de capa eje Z: 0.1mm
Medidas: Varias
Tipo archivos CAD: STL
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Materiales: polvos que la misma empresa distribuye en diferentes
colores
Ilustración 7: Zprinter 350
Projet
Al igual que Zprinter las venden en diferentes versiones donde la
diferencia más importante es el tamaño de impresión, es una impresora de
tipo SLA, funciona con un fotopolímero que no se conocen sus componentes y la única manera de obtenerlo es comprándole directamente a 3D System.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: hasta 170 x220x200 mm depende del modelo Resolución X/Y: 1024x768 DPI
Espesor de capa eje Z: 0.1mm
Medidas: Varias (pesan alrededor de 60kg, es decir son muy grandes)
Tipo archivos CAD: STL
Materiales: fotopolímero que la misma empresa distribuye en diferentes colores
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Ilustración 8: Projet 1000, Impresora 3D de BFB.
Ilustración 9: Projet 3500 de BFB.
3D touch
Impresora FDM de 3D system, posee una pantalla touch desde donde se controla, es fácil de usar. Utiliza un software de la empresa que
transforma los archivos STL en un formato legible con la impresora, luego
con un pendrive USB se entregan los archivos a la impresora. Existen
diferentes versiones que difieren en el numero de extrusores (1 a 3) lo que
también varía el volumen máximo de impresión.
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Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: varía, hasta 275mm x 230mm x 185mm Resolución (motor) X/Y: 0.085mm
Resolución (motor) en Z: 3.125 micrones
Máxima velocidad de avance en X/Y: 15 mm3
Espesor de capa eje Z: 0.125 Medidas: 515mm x 515mm x 598mm
Tipo archivos CAD: STL
Materiales ABS y PLA
Ilustración 10: 3D touch
2.2.3.5 Ultimaker
Ultimaker es una impresora 3D de tipo FDM de alto volumen de
construcción. Es un proyecto Open Source que tiene como características ser
seguro, rápido y de costo accesible. Tiene una wiki-comunidad donde la
gente comparte sus dudas, problemas y proyectos en que ha utilizado la
impresora.
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Ultimaker utiliza un extrusor que se mueve en sentido horizontal y un
plato donde se forma la figura que se mueve en sentido vertical. Como toda
impresora de tipo FDM utiliza un extrusor donde el material caliente está en un estado donde fluye con facilidad, y así lograr formar el objeto línea por
línea y capa por capa.
Utiliza 3 motores stepper para los movimientos en XYZ y un cuarto
motor para el extrusor. Para controlar todo esto, utiliza un Arduino Mega
1280. Tanto el software como los planos de hardware están disponibles
libremente.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: 210mm x 210mm x 220mm
Resolución(motor) X/Y: 20 micrones Resolución (motor) en Z: 5 micrones
Máxima velocidad de avance en X/Y: 5000 mm/minuto
Máxima velocidad de avance en Z: 1000mm/minuto
Espesor de capa eje Z: 0.3mm Medidas: 340mm x 355mm x 390mm
Tipo archivos CAD: STL
Materiales ABS y PLA
Placa Arduino Mega.
Ilustración 11: Ultimaker se puede observar su parecido con las impresoras de Makerbot Industries.
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2.2.3.6 B9Creator
Impresora 3D de tipo SLA, apareció a mediados de este año y aun no
se lanza al mercado. Utilizó sistema kickstarter para generar suficientes fondos para iniciar la empresa. Para imprimir usa un proyector para curar un
polímero capa por capa, es de un gran tamaño y pese a que se supone que
es de carácter Open Source, aun no están sus planos ni software libres.
Especificaciones técnicas:
Volumen de impresión: 102x77x200 mm Resolución X/Y: 1024x768 DPI
Espesor de capa eje Z: 0.1mm
Medidas: 790x470x305 Tipo archivos CAD: STL
Materiales: fotopolímero que ellos provienen por ahora sólo en rojo.
Ilustración 12: B9Creator.
2.2.4 Aplicaciones
Muchas aplicaciones se le puede dar a la impresión 3D, entre ellas en diseño, arquitectura, educación, salud, entretenimiento, etc. Pero las que
interesan en el mundo de la ingeniería mecánica, son las siguientes:
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Prototipado rápido
Desde los 80´s se han visto impresoras 3D y han sido muy usadas para prototipado rápido con propósitos de investigación. Estas máquinas
eran muy grandes y generalmente usaban polvos metálicos, arena y
plásticos, que sólo podían ser obtenidos de las empresas que vendían las
mismas impresoras. Obviamente con precios muy elevados, lo cual no era
problema para prototipado dónde se hacen dispositivos muestra.
Manufacturado rápido
Avances en la tecnología permitió a las impresoras utilizar materiales
apropiados para manufactura final y a precios lo suficientemente bajos como
para la producción de piezas. Se espera que esta evolución madure, ya que
aun la tecnología de manufacturado rápido en impresoras 3D está en
pañales.
Usos domésticos y hobbyes
Muchas Impresoras 3D domésticas han aparecido en el último tiempo, las cuales tienen como características tener un costo reducido y utilizar
materiales de precios accesibles. Esto es muy parecido a lo que ocurrió con
los computadores [8], antiguamente eran muy caros y su tamaño hacía
imposible tener un computador en casa, pero con la aparición del primer
computador personal, se inició una evolución que terminó con la realidad actual, donde los computadores son un bien muy común en los hogares.
Éstas impresoras son utilizadas para hobbystas y entusiastas, éstos han
impreso objetos como relojes, repuestos plásticos, engranajes, inclusive
comida como figuras de chocolate. Es considerable el potencial que tienen las
impresoras 3D en un hogar, ya que las personas se convierten en diseñadores de sus objetos.
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2.3 Fotopolímeros
Fotopolímero es un polímero que cambia sus propiedades cuando es
expuesto a luz, frecuentemente en el espectro ultra violeta, éstos son usados
en odontología y prototipado rápido en impresoras 3D y máquinas de
estereolitografia.
2.3.1 Proceso El proceso para que un fotopolímero llegue a curarse tiene los siguientes
pasos.
1- Exposición según imagen a radiación con cierta longitud de onda( cada
fotopolímero es sensible a cierta longitud de onda)
2- Remoción de las zonas no expuestas con solvente.
3- Secado
Para hacer un fotopolímero generalmente se requiere de 3 ingredientes
principales: la resina, el fotoiniciador y el colorante.
Resina: Es el principal componente del fotopolímero generalmente
es del orden del 97% del compuesto, es el material en sí.
Fotoiniciador: Su labor consiste en darle la sensibilidad ante cierta
longitud de onda para que cure, mientras más fotoiniciador se
utilice más sensible será el material, es decir menos tiempo será
necesario para que cure.
Colorante: Permite que las ondas luminosas no lleguen tan
profundo en el material, controlando el espesor de capa a curar,
mientras más colorante se utilice más delgadas serán las capas de
polimerizado.
2.4 Sistema de impresión para una impresora 3d de fotopolímeros.
Elementos:
Proyector DLP: Consiste en el sistema de proyección, éste emite
imágenes al fotopolímero para que reaccione, existen proyectores
específicos que pueden seleccionar las longitudes de onda emitidas,
pero tienen altos costos.
Controlador de altura Z: Bandeja que permite subir y bajar la bandeja
de construcción. Ésta requiere de un control computacional, para
manejar el motor eléctrico que lo acciona.
20
Piscina de polimerización: Bandeja traslúcida que permite que la
imagen lanzada por el proyector llegue al fotopolímero. Sobre la
bandeja se encuentra el fotopolímero en estado líquido.
Ilustración 13: Diagrama del sistema de impresión.
2.5 Archivos 3D STL
STL (de la palabra Stereolitography en ingles, estereolitografía en
español) es un formato de archivo nativo de softwares CAD de
estereolitografía creada por 3D system. Es también conocido como Standard
Tessellation Language (lenguaje estándar de mosaicos), este tipo de archivo es muy usado para prototipado rápido y software de manufactura asistida
por computador (CAD).
El formato describe solo las superficies geométricas de un objeto
tridimensional sin representación de color, textura u otros atributos típicos
usados en CAD. Existen 2 tipos de STL los ASCII y los binarios, siendo los últimos los
más utilizados debido a que son más compactos.
En la actualidad todas las impresoras 3D utilizan este tipo de archivo
como entrada, es por esto que se ha vuelto un estándar de la tecnología de impresión 3D.
21
3 Metodología
BeamMaker es el nombre con que se bautiza a la impresora, el nombre es debido a que utiliza un haz de luz para crear objetos. Las etapas para el
desarrollo de la máquina fueron las siguientes:
1-Síntesis del polímero y calibración de curado: Fase donde se hace el
polímero, se pone a prueba y se define el tiempo de curado.
2-Diseño de impresora 3D: Fase de diseño donde se definen los
elementos para la construcción de la impresora.
3-Manufactura de impresora 3D: Fase de manufactura donde se
construye.
4-Pruebas de curado final, Impresiones básicas y calibrado: Se
imprimen geometrías básicas y se observan los resultados, además se
compara la resolución con otras impresoras 3D disponibles en el laboratorio.
3.1 Síntesis del polímero y calibración de curado
De la bibliografía se logra obtener la receta de un fotopolímero, el cual
está basado en el desarrollo Open de impresión 3D en USA (U. de Illinois)[9], la cual es la siguiente:
Tabla 2: Receta del fotopolímero
Componente % en peso
Poly(ethylene glycol) diacrylate 98
Phenylbis (2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide
2
Sudan I 0,02
Esta receta fue conseguida mediante la empresa SIGMA ALDRICH.
Realización del fotopolímero
Una vez se tienen los componentes del polímero, se realiza la síntesis
del fotopolímero.
Se utilizan las instalaciones del departamento de Química de la facultad
de ciencias físicas y matemáticas de la Universidad de Chile (laboratorio de
22
polímeros), donde se unen los componentes y se dejan revolver por un
mezclador magnético durante 3 días.
El proceso tiene la siguiente metodología:
Adherir la cantidad correcta de ingredientes, éstos son medidos con
una pesa electrónica para asegurar la medida.
Verter todos los materiales en una botella ámbar, adherir a la botella una
pastilla magnética, y luego poner en el mezclador magnético durante 3 días.
Entonces la mezcla del fotopolímero está completa.
Ilustración 14: Probeta con 98 ml de polietilenglicol
23
Ilustración 15: Izquierda: Pesa digital utilizada para la obtención del fotopolímero;
Derecha: Pesa digital con 2 gramos de polietilenglicol
Ilustración 16: Izquierda: Pesa digital con 0.006 g. de sudan ;
Derecha: Mezcla siendo revuelta por el mezclador magnético
24
Prueba del fotopolímero
Una vez ya obtenido el compuesto, se hacen pruebas de curado para observar si se había obtenido efectivamente un fotopolímero que reaccionaba
ante luz de un proyector en longitud de onda visible. Para esto se hace una
impresión de una figura LEGO con algunos elementos básicos del laboratorio.
La metodología y resultados fueron los siguientes:
Se utilizaron los siguientes materiales
Fab@Home (el motor que maneja el eje Z)
Lupa
Proyector DLP
Espejo Vaso precipitado
Se coloca la lupa delante del proyector para acercar el foco. La imagen
del proyector rebota en el espejo y se proyecta en la bandeja levemente
sumergida en el fotopolímero. El vaso precipitado descansa en la bandeja de la Fab@Home. La altura
de la bandeja es controlada con un motor paso a paso que a su vez es
controlado por un computador, así se puede tener un control del tiempo al
que es expuesto el fotopolímero y observar el tiempo de curado.
3.1.1 Resultados observados
El tiempo de curado da como resultado 15 segundos para un espesor de
capa de 0,5 mm, lo que significa casi una hora por centímetro de impresión.
La impresión tiene una buena resolución, pero se aprecian errores asociados a que la bandeja sumergida en el fotopolímero no estaba
horizontal y la bandeja de la fab@Home estaba medianamente descalibrada.
Lo que significa que cuando se imprima con la impresora final, la calidad de
impresión debiera mejorar mucho más.
25
Ilustración 17: Sistema utilizado para la prueba de impresión a la izquierda proyector, luego la lupa,
luego el espejo para que la imagen sea proyectada a la bandeja.
Ilustración 18: Imagen siendo proyectada al fotopolímero.
26
Ilustración 19: Comienza a observarse la aparición del objeto en luz amarilla brillante
Ilustración 20: Impresión siendo limpiada de residuos
27
Ilustración 21: Impresión de figura LEGO terminada.
3.2 Diseño de impresora 3D
Una vez ya asegurada la efectividad del polímero, se comienza con el
diseño de BeamMaker. El modelo fue cambiando vía iteraciones, las cuales
iban mejorando con cada reunión dónde se analizaba el diseño actual con el
profesor guía. Aquí se presentarán algunos diseños preliminares y el diseño
final al cual se llegó.
Diseños preliminares:
Ilustración 22: Primer diseño de la impresora en aluminio
28
Ilustración 23: Diseño más elaborado en acrílico pero con otro
sistema de elevación de bandeja.
Se pasó por diseños hechos en aluminio y múltiples sistemas de control
de altura, luego se pasó a un diseño 100% en acrílico con un tornillo de bolas
para controlar la altura y 2 ejes guías. Los motivos fueron variados, desde estética hasta facilidad en la obtención de los materiales.
Se hace el diseño en Solid Works [10], lo que facilita la obtención de los
planos de construcción, ya que el mismo programa los genera. Es importante
en el diseño considerar que las piezas sean luego manufacturables en la vida real.
Se tienen varias tecnologías para la manufactura gracias al FabLab de
la universidad, entre las herramientas se encuentran impresoras 3D y
cortador láser.
29
Ilustración 24: Diseño avanzado de la impresora 3D.
Finalmente el diseño Final de la impresora está en la siguiente figura.
Ilustración 25: BeamMaker y sus medidas generales y su explosionado con sus partes principales, detalles de la impresora en Anexos.
30
Ilustración 26: Render de BeamMaker, hechos en el programa Solid Works, a la derecha se encuentra la piscina de polimerización
3.2.1 Hardware
3.2.2 Estructura
Los componentes estructurales del sistema son fabricados desde una
plancha de acrílico, la cual es cortada con láser, la unión entre ellas es
mediante un sistema “snap.it” y “T-nut” de perno tuerca, en donde un perno es insertado en una muesca de una de las partes a unir, y una tuerca es
atravesada en un orificio en el otro cuerpo que ha de estar perpendicular al
primero. La increíble calidad de la cortadora láser permite lograr una
excelente ortogonalidad entre las piezas, además de ser un sistema de muy
rápido y fácil armado. La Universidad de Chile cuenta con una cortadora láser Epilog Legend
36EXT Laser Engraver, con la cual se cortaron las planchas directamente
desde el programa SolidWorks, que permitió hacer el diseño 3D de la
máquina. El mismo programa permite obtener los planos que se envían a la
cortadora. Son necesarias 2 planchas de acrílico de 900x600 para tener todas las
piezas necesarias para la construcción total de la máquina y el tiempo de
cortado es de alrededor de 2 horas. Debido a que comercialmente existen
empresas que cortan laser por un costo no muy alto, se pueden obtener
estas partes sin dificultad. Otro aspecto importante es que los planos pueden ser modificados por usuarios libremente, lo que les permite crear sus propias
BeamMakers con sus diseños y grabados personalizados. Actualmente se
31
pueden modificar los planos mediante software de edición de imagen y
dibujos vectorizados, por lo tanto no es necesario tener conocimientos de
programas 3D CAD para hacer nuevos diseños o modificaciones de BeamMaker.
El usuario también puede hacer uso de otros materiales para la
construcción de su BeamMaker, quedando a su antojo la apariencia de la
misma.
3.2.3 Posicionamiento
Un aspecto muy interesante de la tecnología de BeamMaker es que
requiere de sólo una parte móvil (a diferencia de la tecnología FDM que requiere de una parte móvil por cada eje más los extrusores), lo que además
de ser una disminución en los costos, significa una simplificación en el
posicionamiento inicial y en el funcionamiento de la misma.
El movimiento lineal de la bandeja se compone de: rodamientos lineales
para ejes de 10 mm, ejes, y un tornillo de bolas recirculantes de paso 5mm, que permite un sofisticado y cuidadoso control del eje Z, evitándose
vibraciones y movimientos en ejes indeseados. Todo esto controlado por un
stepper motor (motor paso a paso), de un ángulo de step de 1,8°, esta
característica significa que una vuelta de 360° se logra con 200 pasos, lo que
se traduce en que se pueden lograr capas de polimerizado de hasta 0,025 mm.
3.2.4 Electrónica La electrónica es controlada por un Arduino Uno, herramienta
electrónica que permite mediante un software de fácil programación, crear
controles y rutinas para múltiples motores u otros componentes electrónicos.
Arduino es muy utilizado en múltiples proyectos Open Hardware, permitiendo a personas que no conocen mucho de electrónica, la posibilidad
de crear sus propias máquinas. Éste hecho y su bajo costo hacen de Arduino
la herramienta perfecta para un proyecto como el de BeamMaker.
La unión entre los motores y Arduino se hace mediante una placa de
motores para Arduino (adafruit motorshield), que permite una conexión rápida y sin necesidad de soldadura. Por otra parte la unión entre el
computador y el arduino es mediante puerto USB, que existe en todos los
computadores actuales, desde donde mismo se energiza el sistema.
Se puede apreciar que es un sistema limpio, muy simple y rápido de
armar.
32
3.2.5 Software
El software de Beammaker es diseñado en conjunto con un grupo de
estudiantes del ramo de Agilidad del departamento de ciencias de la
computación de la Universidad de Chile, gracias a la colaboración del
profesor Agustín Villena del mismo departamento.
Para el diseño se utilizaron metodologías ágiles, para así acelerar el
proceso y obtener un resultado de mayor valor en el menor tiempo posible, considerando que las horas que se disponían eran limitadas.
KANBAN
Es un sistema de tablero que permite controlar la fabricación de
productos en la cantidad y tiempo necesarios, esto mediante un tablero con
tarjetas que representan un trabajo a realizar. Si el trabajo se ha realizado,
la tarjeta se pasa a un conjunto de tareas terminadas, para así tener claro qué es lo que se ha realizado y qué tareas son las que faltan. Las tarjetas
actúan de testigo del proceso de producción.
Se hizo un tablero con las tareas necesarias para crear el software
minimal, estas tareas debían seguir un orden con la idea de que si se
planeaba llegar de A hasta D, era necesario pasar por B Y C, de este modo el trabajo es continuo y eficiente.
DLI3D
DLI3D es el nombre que se le da al programa durante su programación, el funcionamiento del mismo es el siguiente:
El programa toma de entrada un archivo 3D en formato STL (formato
universal CAD), luego corta el objeto en tantas capas como desea el usuario,
estas capas se convierten en imágenes JPG, que son guardadas en un
directorio también elegido por el usuario. Las imágenes consisten en un fondo negro y el cuerpo del sólido en el plano intersectado es de color blanco
(color que permite al fotopolímero curarse en el tiempo correcto), luego de
esto, el software muestra el botón “print” que inicia la impresión. Esto inicia
en la segunda pantalla (donde debiese estar el proyector) una animación con
las imágenes de los cortes, además de controlar la altura de la bandeja a medida que va cambiando la imagen, de tal manera que una imagen significa
una capa. Además de un control de una válvula que permite entrada de más
fotopolímero cuando es necesario (el control de la entrada de polímero
también es dado por el software, el cual tiene un contador que permite
calcular el volumen utilizado de material en cada capa)
33
Ilustración 27: Esquema de cortes, para creación de objeto con el software, cada corte es una imagen que consiste en una capa de polimerizado, el cuerpo de color blanco polimeriza
mientras que la parte negra no reacciona.
El software comienza en una interfaz que pide ciertos parámetros para
la impresión, los parámetros son los siguientes:
Ilustración 28: DLI3D interfaz.
34
Height: Consiste en la altura que debe ser impresa (eje Z con 0 como
inicio), si se requiere que todo el objeto se imprima, se debe colocar la altura
máxima del objeto
Step: Consiste en el espesor de cada capa de impresión, mientras más pequeño sea el número mejor es la resolución de impresión.
Layer thickness: Consiste en el espesor del cortador, es decir si el objeto
está siendo cortado, este número seria el espesor del cuchillo con el cual se
está cortando. Es un % del tamaño del objeto, el valor por default es 10%,
se recomienda poner 0.01% para tener un espesor muy delgado y no haya interposición de capas. El nombre de este botón quizás no fue el mejor, ya
que se puede confundir con el espesor de capa de impresión (el cual acá
vendría siendo “Step”).
Exposition time: consiste en el tiempo que cada imagen estará estática antes
de cambiar de altura y de imagen. Es el tiempo necesario para que el
material cure en cada capa, este número es de vital importancia para el correcto funcionamiento de la máquina y dependerá del fotopolímero que se
esté usando.
Arduino port: Se debe indicar el puerto donde está conectado el Arduino.
Directorio de imágenes: Luego de de haber llenado los 4 parámetros
anteriores, el programa pide un directorio donde se aparecerán las imágenes
generadas por el cortador del objeto, se recomienda hacer una carpeta nueva donde poner estas imágenes.
Open STL: seleccionar el archivo STL que desea ser impreso.
Luego, el programa tendrá un tiempo de carga donde generará las imágenes
en JPG en la carpeta especificada.
Print: luego que las imágenes sean generadas, mostrará la opción “Print”,
que consiste en iniciar la impresión. Dadas las características del software actualmente, la bandeja debe partir en posición 0(es decir la posición más
baja posible pegado a la piscina).
35
Ilustración 29: Imagen generada por el cortador, la figura es el símbolo de Open Hardware.
Ilustración 30: Flujo de funcionamiento del software.
36
El software no quedo 100% terminado, pero al menos quedó una versión lo suficientemente acabada, para hacer pruebas. Se espera que en el
futuro sea tomado por otro curso o por algún memorista que quiera terminar
el software, las partes del software se presentan en Anexos.
3.3 Manufactura de la impresora
Se comienza la etapa de compra y manufactura de partes, ésta se realiza en etapas en las cuales se aseguraba el buen funcionamiento de
cada parte por separado.
3.3.1 Motor y bomba Se compra un motor paso a paso con un Torque mayor al requerido (en
Chile no hay demasiados puntos de venta, por lo que se compra lo más
cercano al requerimiento real). El motor tiene un paso de 1,8° por lo que
para girar una vez, debe dar 200 pasos. Esta medida es de mucha importancia para lograr una buena resolución de la impresora (con el tornillo
que se utilizará la resolución máxima es de 0,025 mm por paso).
Ilustración 31: Motor paso a paso junto a controlador ARDUINO.
Se utiliza una bomba (limpiaparabrisas de auto) que funciona a 12 V, su
objetivo consiste en alimentar de material a la impresora, de tal manera que
cuando los niveles de fotopolímero bajen, la bomba parte y entregue más fotopolímero desde una fuente externa a la piscina de fotopolimerización.
37
Ilustración 32: Bomba limpiaparabrisas.
3.3.2 Controlador El control de la impresora se hizo mediante Arduino. Una placa
controladora que se usa mucho para proyectos Open Hardware, a ésta placa
le serán conectados 2 componentes, el motor que maneja el eje Z y una
bomba, que se utilizará para mover el fotopolímero desde una fuente hasta
la piscina donde el material polimeriza (ambos vistos en el punto anterior).
Ilustración 33: Arduino Uno con adafruit motorshield que se utiliza para facilitar el cableado con los motores, la conexión al
computador se hace mediante un puerto USB.
38
3.3.3 Cuerpo de acrílico y pernos con sus tuercas El cuerpo principal de la impresora es hecho de acrílico, el cual es
cortado mediante el cortador láser que dispone la facultad. Como ya fue
dicho anteriormente los planos se obtienen del diseño 3D hecho en Solid
Works.
3.3.4 Tornillo de bolas recirculantes y acople a motor
El tornillo actual de la impresora es conseguido mediante una empresa
que importa este tipo de piezas. Ellos disponían de inmediato de un tornillo de 16 mm de diámetro, la impresora idealmente funcionaba con uno de 8 a
12 mm, pero el precio de los más pequeños es demasiado superior al de 16
mm (además que se le deben sumar los costos de envío a Chile), por lo que
se compra el disponible.
Sus características son 16 mm de diámetro con paso 5 mm. La pieza
debe ser maquinada en uno de sus extremos para poder introducir el acople que lo unirá al motor.
Ilustración 34: Tornillo de bolas recirculantes con extremo maquinado.
Para acoplar al motor se utiliza un acople flexible, el acople viene con
las medidas de “entrada x salida” de 1/4´ x 10 mm (el motor usa un eje de 1/4´), Por lo que el maquinado del tornillo es de 10 mm, el acople se
asegura mediante 4 pernos prisioneros (2 por eje).
39
Ilustración 35: Acople MOTOR-TORNILLO
3.3.5 Ejes, rodamientos y cuerpo soporta rodamiento
Se utilizaron Ejes de Acero plata de 10 mm, debido a que tienen una terminación excelente para ser utilizados como ejes.
Se seleccionan rodamientos lineales de 10 mm (por la geometría del
movimiento), la geometría de estos rodamientos viene normada.
El cuerpo que fijará el rodamiento a la bandeja, es diseñado e impreso
en ABS con la impresora FDM 3D Touch disponible en el FabLab. La
impresión nunca queda idéntica al diseño CAD debido a limitaciones de resolución que se presenta en las impresoras FDM, y como la pieza no debe
tener juego con su rodamiento, se hacen pruebas para observar el error de
la impresora, así finalmente se logró construir la pieza sin juego.
40
Ilustración 36: Eje con rodamiento lineal
Ilustración 37: Eje con su rodamiento lineal ubicado en el soporte de
rodamiento impreso por impresora 3D Touch.
3.3.6 Espejo Inicialmente se utiliza un espejo normal, con lo que se tuvo que la
imagen reflejada tenía un efecto llamado “ghostring”, que consiste en que la
imagen tiene sombras debido a que el espejo refleja la imagen en su cara
trasera, esto hace que el haz de luz refracte en el acrílico y el espejo emita la
imagen deformada. Luego de hacer impresiones con este espejo, queda claro que el objeto
impreso queda contaminado, por esto se busca una solución.
La solución consiste en usar un First surface mirror (FSM), es un espejo
que refleja en su cara delantera (de ahí su nombre), se utilizan en óptica para telescopios y caleidoscopios, con esto se logra una imagen con la
resolución suficiente.
41
Ilustración 38: Izquierda reflejo que se observa en un espejo normal, se observa una distancia entre el reflejo y el objeto, ya
que la imagen se refleja en la cara de posterior, mientras que en la derecha, reflejo de un espejo de primera superficie (FSM) donde el reflejo es en la cara delantera.
3.3.7 Armado El armado tarda alrededor de unas 2 horas, pero esto debido a colocar
los insertos metálicos en las piezas. Si sólo se cuenta el tiempo de unir los
elementos, el tiempo es de más o menos 30 minutos.
Gracias al diseño, el armado es una tarea muy fácil, sólo poner pernos y
tuercas, lo más complicado fueron los insertos de bronce que fueron adheridos con cautín.
Ilustración 39: Colocando los insertos con cautín, son en total 11 insertos, 3 en los pies de la impresora y 8 en las piezas sujesoras de los ejes.
42
Ilustración 40: Pies a la impresora con los Pernos cabeza de botón, que sirven de patas de la máquina, gracias a que son nivelables, la
impresora puede estar en una posición horizontal aunque la mesa donde esté puesta no sea horizontal.
En Anexos se encuentra el plano principal de la impresora con su lista
de materiales, además de los planos de impresión de las piezas acrílicas, en
ese plano no hay medidas ni centros marcados ni ninguna línea que no sea
de la pieza. Ya que las medidas u otros textos harían que la cortadora láser
hiciera líneas indeseadas. También en Anexos se presenta el plano de la piscina con sus medidas
correspondientes.
Luego del armado se tiene a BeamMaker lista para comenzar las
pruebas.
Ilustración 41: BeamMaker armada con proyector a un costado emitiendo una imagen.
43
Ilustración 42: Acercamiento a BeamMaker,
3.4 Pruebas de curado, Impresiones básicas y calibrado
Para lograr obtener una impresión de buena calidad, es necesario tener un control de los distintos factores que podrían alterar la calidad de la figura
a generar, los factores son los siguientes:
- Tiempo de exposición.
- espesor de capa. - Potencia proyector.
En base a esto se hacen variadas pruebas de impresión, dónde se varían
los parámetros mencionados, excepto potencia de proyector ya que se utiliza
siempre el mismo de 2400 lúmenes del proyector ViewSonic PJD6210.
3.4.1 Múltiples pruebas erróneas
Pese a que se había hecho una prueba de curado previa (impresión de figura Lego), se observaron problemas de impresión, esto debido a que se
hace en el sentido contrario que las pruebas de curado hechas en un
comienzo. En las siguientes imágenes se muestran pruebas fallidas:
44
Ilustración 43: Impresiones fallidas hubieron muchas durante el desarrollo
De las pruebas hechas, se observa una serie problemas, para los cuales se debían hacer modificaciones a la impresora para lograr solucionarlos.
Los problemas fueron los siguientes:
Adherencia de la piscina de polimerización (Vat)
Se observa que las piezas quedaban adheridas a la piscina en vez de a
la bandeja de elevación, esto arruina por completo la impresión. Para que
esto no ocurra, la base de la piscina tendría que estar recubierta con un material antiadherente, así obligándolo a fijarse a la parte superior
(bandeja).
45
Ilustración 44: Esquema de impresión a) objeto siendo impreso queda fijo correctamente a la bandeja de elevación (elevator
tray); b) objeto queda adherido a la piscina lo que arruina la impresión
Ilustración 45: Ejemplo de impresión fallida debido a adherencia con la piscina
46
Adherencia en la bandeja de impresión (Elevator Tray)
Posteriormente se observó que luego de 2,5 mm de altura impresa, la pieza perdía adherencia con la parte superior, debido a su peso y área de
contacto. Si la siguiente capa tiene una superficie de impresión mayor o igual
que la capa adherida a la bandeja, la pieza tiende a despegarse de la
bandeja y nuevamente quedar adherida a la piscina.
Falta de material para capa nueva debido a viscosidad del material
Al curarse una capa y adherirse a la pieza , queda el espacio o hueco de material que es utilizado, la viscosidad del material hace que este “vacio” no
sea rellenado inmediatamente, por lo que las impresiones a veces quedan
con faltas de material en algunas capas.
Ilustración 46: Error observado debido a viscosidad, aparece un vacío debido al plano recién
curado , si se intenta curar otra capa sobre nada , o sobre menos material que debiera , aparecerá en la capa una falta de material.
47
Ilustración 47: Ejemplos de Impresión fallida debida a falta de material, se puede apreciar que la superficie no está plana , debido a que hubo lugares donde no había suficiente material, por lo que no se generaron capas planas de curado
3.4.2 Resolviendo el problema de la antiadherencia
Para resolver el problema de antiadherencia se busca como solución
recubrir la base de la piscina con un material antiadherente.
Se debe buscar un material tal que fuera antiadherente, transparente
para dejar pasar la luz (desde la fuente hasta el polímero) y además que
fuera fácil de utilizar para recubrir la piscina de vidrio. De la literatura se llegó a que habían 2 materiales que son muy
utilizados por sus propiedades de antiadherencia: la silicona y el teflón, de
éstos materiales el más fácil y económico de utilizar era la silicona, debido a
que se puede comprar en gel lo que facilita la aplicación. Se hizo una cama
de silicona sobre la piscina de vidrio, luego se procedió a continuar con las
48
pruebas y el resultado fue exitoso, el objeto se quedo adherido a la cama
superior.
Lamentablemente las impresiones perdieron calidad ya que la silicona al no ser plana, deformaba la luz que llegaba al fotopolímero, formando objetos
de pésima resolución.
Ilustración 48: Impresiones fallidas debido a la deformación de la imagen con la cama de silicona, al menos las piezas
quedaban adheridas a la bandeja, lo cual fue un gran paso.
3.4.3 Resolviendo el problema de la pérdida de calidad
Se buscan soluciones con siliconas que produjeran una cama plana, dentro de éstas soluciones se encuentran:
Silicona de auto: Se hace la prueba, pero lamentablemente no deja la
superficie lo suficientemente antiadherente, por lo que el objeto igual queda
adherido en la piscina.
Micas de plástico antiadherente y transparente: De las pruebas que se realizan con este sistema, se llega a que debido a la dificultad de poner
correctamente la mica, las figuras se quedaban arriba y abajo
aleatoriamente.
Finalmente nace la idea de usando la misma cama de silicona inicial, pero lijando su superficie con lija al agua, para así convertirla en una cama
plana. El proceso no es de gran dificultad, fácil de replicar y posteriormente
se comprueba que es de alta durabilidad.
Se realizan pruebas con este tipo de cama, y se observa que las figuras
quedaban adheridas a la cama superior a menos que los objetos a imprimir
tuvieran una altura mayor a los 2,5 mm, esto ya fue explicado
anteriormente.
49
Ilustración 49: Cama de silicona se sitúa en la base de la piscina, para disminuir la adherencia, recordar que se hace con
silicona transparente y se debe hacer un lijado al agua posterior hasta que quede una superficie lisa.
Ilustración 50: La calidad de impresión mejoró, notablemente luego de esto.
3.4.4 Resolviendo el problema de la adherencia con impresiones de más de 2.5 mm.
En base a este problema se pensó en 2 soluciones:
1-Mejora en la rutina del software
Inicialmente la rutina consiste en lo siguiente:
Proyección de imagen correspondiente a esa capa con la bandeja
estática
50
Imagen se va a negro y comienza a elevarse la bandeja hasta
altura de la siguiente capa
Repetir
Este sistema no deja un tiempo suficiente para que el polímero no
escurra, por lo que quedan vacíos (de los problemas explicado
anteriormente), además un mayor movimiento del polímero, impide que haya polimerización indeseada, a modo de refrescar el material. Por lo que
fue implementado un cambio en la rutina. El cambio fue hecho desde el
software, la nueva rutina es la siguiente:
Proyección de imagen correspondiente a esa capa con la bandeja estática
Imagen en negro y comienza a elevarse la bandeja hasta una
altura igual a 15 mm sobre la altura anterior.
Tiempo de espera para que el polímero escurra durante 2
segundos. Bandeja baja hasta que la altura corresponda a la siguiente altura
de la siguiente capa a formar.
Repetir
2-Adherir una base de soporte a las impresiones.
Como los objetos más largos se desprenden, Se implementa la idea de previamente a hacer el objeto, formar una capa soporte de mayor área que
todas las capas del objeto a imprimir. Bajo esta superficie se debe imprimir
el objeto, esta base hace de soporte de la figura y asegura que siempre
exista mayor agarre en la parte superior que en la inferior, debido a que la
superficie de contacto es siempre mayor gracias a esta figura. En el siguiente diagrama se explica cómo se utiliza el soporte cama,
este sistema es utilizado por muchas impresoras 3D de fotopolímeros. Luego
de la cama se deberían crear soportes para que sea más fácil separar la
cama del objeto, la generación de soportes queda a cargo del software, esto
es una tarea que puede ser tomada por otras personas en el futuro de la investigación.
51
Ilustración 51 Antes de comenzar la impresión se hace una capa/cama de soporte, de área mayor que todas las capas del
objeto, de este modo, la superficie de contacto de la bandeja será siempre mayor que la de la piscina.
Ilustración 52: Objeto recién impreso con soporte, fue un gran éxito ya que mide
casi 1 cm de largo.
52
Con estos nuevos métodos se hacen las pruebas nuevamente y el
resultado es exitoso, finalmente se obtienen objetos de alturas 4, 6 y 10
mm, y no sólo eso sino que también los objetos impresos mejoraron aun más su resolución.
4 Resultados De las pruebas hechas se concluye la siguiente tabla, que describe las
condiciones por capa donde el polímero cura correctamente en BeamMaker.
Tabla 3: Condiciones de funcionamiento del polímero en BeamMaker
Condición Valor
tiempo de curado 7 seg
espesor de capa 0.1 mm
potencia proyector 2400 lum.
Área de impresión 100 x 75 mm
Luz ambiente Día y noche
longitud de onda sensible
418 nm
4.1 Evolución en la calidad de impresión
Aquí se expone la evolución en la calidad de la impresión a medida que
se obtenía mayor control de la impresión:
Ilustración 53: Evolución en calidad de impresión a) Impresiones no tenían buena resolución debido al espejo y la silicona,
además se observa una deformación en la imagen; b) Se obtuvieron mejoras mediante el cambio del espejo ,pero la cama de silicona aun mostraba problemas. El material polimerizaba descontroladamente y con vacíos por lo que no quedaban los planos completamente curados; c) Si bien la resolución es buena no se podían crear objetos de mayor largo de 2 mm; d)
objeto de 4 mm, con una excelente acabado.
53
4.2 Comparación de resolución con otras impresoras
Como se dispone de impresoras 3D en el laboratorio, se compara
imprimiendo la misma pieza para diferentes impresoras, la figura será muy
simple pero muy pequeña, las figuras pequeñas son las que en general más
complican a las impresoras 3D.
Ilustración 54: a) Impresión hecha con 3D Touch de Bits From Bytes, se puede apreciar la resolución y terminaciones que
dejan mucho que desear, b) Figura impresa en replicator de MakerBot, se puede observar una mejor calidad que en a , pero se puede ver las limitaciones de la tecnología FDM al dibujar línea por línea c) Objeto construido por BeamMaker la calidad
de la superficie es notoriamente superior d) las 3 juntas para notar que fueron hechas a la misma escala.
54
Como resultados cuantitativos de las impresiones se presenta esta tabla
que muestra las dimensiones de los objetos impresos comparándolos con las
medidas del objeto CAD, de esta forma se observa el error porcentual que tiene cada una.
Tabla 4 Comparación de medidas de un disco impreso en 2 impresoras y BeamMaker
Medidas Digital 3D Touch Replicator BeamMaker
Alto 2,5 2,91 mm 2,82 mm 2,55 mm
Diámetro 6,85 6,95 mm 6,3 mm 6,86 mm
Error en altura
0.41 0,32 0,05
Error en diámetro
0.1 0.55 0.01
De las medidas obtenidas se puede apreciar que no sólo hay una mejora
en cuanto a la visual de la figura, sino también respecto a las medidas del
objeto. Mostrando que la tecnología de fotopolímero logra crear objetos más
fieles al objeto digital, se calculó el error medio cuadrático para las 3
impresoras, obteniendo el siguiente gráfico:
Ilustración 55: Gráfico del error medio cuadrático de 2 impresoras comparadas con BeamMaker.
El gráfico muestra una mejora cuantitativa tangible respecto a otras
tecnologías, es importante destacar que se comparó con estas impresoras
porque se encuentran disponibles en el FabLab de la universidad, por otro
lado, estas impresoras tienen un precio comparable con BeamMaker.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
3D Touch Replicator BeamMaker
3D Touch
Replicator
BeamMaker
55
4.3 Comparación de características con otras impresoras
Con el objetivo de hacer más objetiva la comparación, se enlista una
serie de impresoras de diferente procedencia. En la tabla se observan
características como el precio de la impresora, precio del material, tamaño,
resolución, etc. Tabla 5 Tabla comparativa Final entre múltiples impresoras y BeamMaker
3D Printer Technology
Printer
Resolution
Printer
Cost
Printing
Material
Cost
Machine
Complexi
ty
Volume/Weight Schematic
Fab@Hom
e[6].Since
2007.
Robocasting X/Y : ~0.2
Z: 0.3
2,000[$US] Varies Motors:4
490x385x330
mm/12kg
Makerbot
Replicator,
Since 2011
Fused
deposition
modeling
X/Y: 0.125
Z: 0.2 -0.3
1,750[$US] 43[$US/g] Motors:5 320 x 467 x 381
mm /14kg
Ultimaker,
Since
2011.
Fused
deposition
modeling
X/Y: 0.125
Z: 0.3
1,567[$US] 43[$US/g] Motors:4 340 x 355 x 390
mm/5kg
Cube 3D
Printer,Sin
ce 2012.
Fused
deposition
modeling
X/Y: 0.25
Z::0.25
1299[$US] 50[$US/g] Motors:4 260x260x340/4.3k
g
RapMan,
Since 2007
Fused
deposition
modeling
X/Y: 0.125
Z: 0.125
1,700[$US] 55[$US/g] Motors:4 650x570x510mm/
17kg
RepRap,
[3],Since
2006
Fused
deposition
modeling
X/Y: 0.3
Z: 0.3
1,350
[$US]
42[$US/g] Motors:4 400x400x400
mm/7kg
ProJet
1500,Since
2011
Photopolyme
r
X/Y:
1024x768
DPI
Z: 0.1
10,900[$U
S]
240[$US/k
g]
Motors:2 622x1003x775
mm/68kg
B9Creator,
Since 2012
Photopolyme
r
X/Y:
1024x768
DPI
Z: 0.1
3345[$US]
100[$US/k
g]
Motors: 2 790x470x305mm/
13.5 kg
BeamMak
er,Since
2012
Photopolyme
r
X/Y:
1024x768
DPI
Z: 0.1
700[$US] 60
[$US/kg]
Motors: 1 220x250x370
/~4kg
56
4.4 Otros usos encontrados
La tecnología de impresión 3D, tiene un norte donde se pudieran
generar objetos funcionales electrónicos listos desde la impresora, una
limitante es cómo hacer circuitos con una impresora 3D. Existe un método de hacer circuitos donde se aplica a una placa de
cobre líneas con un plumón y luego se pasa por un baño de percloruro férrico
que corroe el cobre excepto por los lugares donde se marcó con plumón,
aquí unas imágenes explicativas
Ilustración 56: Proceso para hacer circuitos caseros, donde primero se marca con plumón las pistas deseadas, luego se baña
en percloruro férrico , el ácido corroe el cobre que no tenga plumón encima, dejando intacto lo demás, así finalmente obtener la placa.
Se tuvo la idea de probar si el fotopolímero podría hacer el mismo efecto que el plumón y el resultado fue el siguiente:
Ilustración : prueba hecha con fotopolímero y percloruro férrico , esto demuestra que si se imprime las pistas sobre la lámina de cobre se pueden crear circuitos con BeamMaker,
Las pruebas muestran que el fotopolímero posee la misma propiedad
que el plumón por lo que es posible hacer circuitos con BeamMaker.
Se hicieron algunas pruebas para lograr crear un circuito, el mayor
problema es la adherencia al cobre, lamentablemente el polímero se acabó
en esta fase, por lo que no se pudo depurar la técnica. De todos modos se logró hacer un Arduino de fotopolímero.
57
Ilustración 57: Arduino en fotopolímero, si se depura la técnica se podría lograr imprimir circuitos con la impresora , lo cual sería una gran revolución para la impresión 3D.
4.5 Limitaciones
Existen geometrías que para el actual método de impresión es imposible
realizar, ya que para que una capa se cree requiere un soporte anterior
donde polimerizar. Este problema es algo normal para la tecnología SLA, y la solución consiste en crear soportes del mismo polímero para crear todo tipo
de figuras. Los softwares de las impresoras SLA comerciales poseen la opción
de agregar material de soporte, característica que el actual software de
BeamMaker no posee, en el futuro puede ser mejorado el software para
imprimir todo tipo de piezas. Entre las figuras imposibles de crear están las figuras huecas o
geometrías de ángulos demasiado abiertos.
58
5 Análisis y discusión de resultados
5.1 Sistema de impresión final
Después de haber hecho múltiples pruebas y observar los errores que
tiene la tecnología, BeamMaker hace uso del siguiente sistema para lograr crear objetos.
Ilustración 58: Sistema de proyección curado utilizado por BeamMaker
El proyector emite la imagen a polimerizar, el haz proyectado es
enfocado por un lente de 5x para enfocar correctamente la imagen a esa
distancia. Luego el haz rebota en el espejo de primera superficie que está a
45°, esto hace que la imagen llegue hasta la piscina de polimerización (Vat), para así lograr polimerizar el material. La piscina cuenta con una capa plana
de silicona para bajar la adherencia entre la piscina y el objeto
imprimiéndose. La impresión posee un soporte para aumentar la adherencia
con la bandeja de elevación (Elevator tray). Luego de haber pasado el
tiempo de curado, la bandeja se levanta y espera un tiempo para que el polímero refresque y no queden vacíos de polímero, finalmente la bandeja
baja hasta la altura de la nueva capa a polimerizar y el proyector comienza
nuevamente con la siguiente imagen.
59
5.2 El fotopolímero
Las propiedades del fotopolímero estudiado si bien permiten crear
objetos, no son de una calidad muy alta debido a su carácter frágil. Muchas
de las figuras se quebraron inmediatamente después de haber sido impresas
o en las manos de personas que no las tomaron con suficiente cuidado. Finalmente se logró obtener impresiones correctas, éstos resultados sólo
sirven para el material analizado, y BeamMaker busca mucho más que eso.
La idea sería continuar con el ensayo de otros fotopolímeros que fueran
sensibles a longitudes de onda cercanas a la de la luz visible. La
investigación puede ser continuada por otros alumnos de la Universidad, así como cualquier otra persona en el mundo que lo desee, debido a que su
carácter Open Hardware lo permite.
Más allá de los resultados de la máquina que fueron exitosos, los
resultados reales se verán si se aparece una comunidad de usuarios que
construyan sus propias BeamMakers y que prueben con otros materiales.
5.3 El proyector
Las impresoras 3D de fotopolímeros usan proyectores especiales de
longitudes de onda ultra violeta, junto con BeamMaker apareció otra
impresora que usaba igualmente un proyector casero, pero requería uno en
específico(que se vende junto con la impresora), BeamMaker funciona con cualquier proyector que tenga una potencia superior a 2000 lúmenes , esto
es muy común en los proyectores actuales , en general los proveedores de
proyectores recomiendan potencias mayores a los 2000 lúmenes, para que
las proyecciones puedan ser vistas aun en cuartos no oscuros.
La hipótesis de utilizar un proyector normal fue correcta y con ello bajar considerablemente el costo de la máquina.
5.4 Arduino
Uno de los factores que encarecen y complican cualquier máquina
electrónica es su controlador. Diversas placas de altos costos, complejas
formas de programar, necesidad de conocimientos de soldadura y otros
problemas, hacen que no puedan ser usadas por cualquier persona, lo que distancia a la personas del mundo de la tecnología. Arduino rompió ese
canon permitiendo que personas sin grandes conocimientos puedan crear sus
inventos. El objetivo de usar Arduino en BeamMaker fue que cualquier
persona pueda hacer funcionar la máquina con un pequeño instructivo,
60
recordando que BeamMaker es una máquina para el hogar no para personas
de grandes conocimientos electrónicos.
5.5 El software
Con la ayuda de un grupo de estudiantes del departamento de
computación y del profesor Agustín Villena, se logró diseñar un software que tenía las características suficientes para probar la impresora. El software de
por si tiene muchas limitantes que pueden ser depuradas, esto no es
problema, ya que éste software también es de carácter Open Source y con
esto atraer a personas que tengan conocimiento en estos temas, para que libremente mejoren el software. En la etapa final de la memoria, apareció en
internet un proyecto que consistía en crear un software universal para
impresoras 3D (proyecto de procedencia norteamericana), donde cualquier
persona podía colaborar ayudando en la programación, otras personas
podían utilizar el software y así reportar errores del programa. Esto muestra el crecimiento que está teniendo la comunidad de
proyectos Open Source y Open Hardware, así como también que la
comunidad está muy interesada en la tecnología de impresión 3D. Se podría
poner en contacto con la gente de este proyecto, para que el software
soportara BeamMaker.
5.6 BeamMaker
Como impresora en sí, BeamMaker se diferencia y supera a sus
competidoras en los aspectos más relevantes de este tipo de tecnología.
5.6.1 Costo El costo de una BeamMaker (sin contar el proyector) es de alrededor de
400 dólares, las impresoras 3D que utilizan la misma tecnología son muy
costosas. Durante el trabajo de esta memoria, salió al mercado una
impresora 3D de similares características (y se supone que igualmente Open Source) , pero su precio es de alrededor de los 2500 dólares. Si bien este
precio está muy por debajo de los más de 10000 dólares que cuestan en
general las impresoras 3D de fotopolímeros, es un precio aun alto
comparativamente con BeamMaker.
5.6.2 Resolución
En cuanto a resolución se observó que la tecnología es dependiente del
polímero más que de los motores utilizados. El fotopolímero utilizado en esta
memoria, puede generar un espesor de capa mínimo de 0.1 mm, esto
61
concuerda con la bibliografía de donde se obtuvo el polímero, en donde se
mencionaba que el mínimo era 0,2 mm. Si bien se logró una espesor más
delgado , puede ser debido a que en esta memoria se utilizaron motores paso a paso para controlar la altura , mientras que en el paper lo hacían
manualmente, así como también la potencia del proyector utilizada en esta
memoria es mayor.
Cabe mencionar que existen otros fotopolímeros con la misma
sensibilidad a la luz visible y que son capaces de polimerizar con espesores de capas menores, de todas maneras el espesor de capa de 0.1 mm es el
estándar para impresoras 3D de fotopolímeros, por lo que la resolución fue
satisfactoria.
Comparativamente con otras tecnologías (ver tabla de resultados), se observa que ésta resolución es una de las más altas actualmente, lo que deja
a BeamMaker con la capacidad de competir con las impresoras actuales. Por
otro lado de los resultados obtenidos, se observa que la tecnología de
fotopolimerización permite obtener piezas más fieles a las digitales, el error
medio cuadrático observado de los resultados fue de 0.03 mm lo cual es mucho mejor a las impresoras FDM con las cuales se comparó.
5.6.3 Portabilidad El tamaño de BeamMaker es comparable a las impresoras
convencionales de tinta, esto no se ve en las impresoras de fotopolímeros
actuales, que son de grandes dimensiones, así creando el concepto de
impresora 3D de escritorio.
5.7 Democratización de la tecnología (Open Hardware)
La impresora tendrá una patente creative commons de tipo software libre, lo que significa que legalmente cualquier persona puede replicar la
impresora para hacer sus propias investigaciones y mejoras, la patente
contiene los siguientes puntos muy importantes:
Reconocimiento (Attribution): El material patentado puede ser distribuido, copiado y exhibido por terceras personas si se muestra a su
creador en los créditos.
No Comercial (Non commercial): El material original y los trabajos
derivados pueden ser distribuidos, copiados y exhibidos mientras su uso no
sea comercial. Licenciar Igual (Share alike): El material creado puede ser
modificado y distribuido pero bajo la misma licencia que el material original.
62
Se eligieron estos puntos con la idea que otros usuarios hagan mejoras
de BeamMaker, a modo de feedback, este tipo de modalidad es muy utilizado
en los proyectos Open Hardware.
5.8 Futuro
Las características de la máquina la hacen dueña de un potencial muy
grande. Si se publicita de manera correcta, futuros trabajos en conjunto con
otras universidades podrían generar una versión 2.0 con mejoras suficientes
para que funcione de mucho mejor forma. Impresoras Open Source como Fab@Home y las MakerBot, tuvieron sus prototipos no 100% funcionales
además de diseños muy toscos, pero la continuación del trabajo tanto como
del equipo creador, como la adición de nuevos grupos entusiastas hizo
posible la aparición de versiones mejoradas.
Si se hace un trabajo parecido, se puede convertir a BeamMaker en una impresora muy utilizada y que haga grandes cambios en la impresión digital,
ya que aun no existe una impresora 3D de alta resolución con costes
realmente bajos y con un funcionamiento simple.
Existen ciertos puntos que serían importante mejorar en futuras
versiones y estos son los siguientes:
Elevador de mayor calidad para asegurar 90° con piscina,
probablemente se tendrá que utiliza otro material que no sea acrílico, ya que
este se deforma.
Búsqueda de nuevos polímeros que tengan propiedades mecánicas interesantes, sería ideal que las propiedades fueran parecidas al ABS y
PLA muy utilizados en las impresoras 3D de tipo FDM.
Uso de tornillo más económico , Makerbot vende un stepper motor con tornillo y tuerca por un precio bastante bajo (alrededor de los 70
dólares) , sería interesante probar con este motor , ya que así se
podría bajar aun mas los costos de la impresora sin perder resolución
Se está desarrollando un software Open Source universal para todo
tipo de impresoras 3D , dentro de esto está la posibilidad de imprimir con impresoras de tipo SLA , sería interesante ponerse de acuerdo con
los diseñadores de este programa para que BeamMaker también sea
compatible. Si bien el software actual es funcional, el software
diseñado por ellos posee características muy superiores.
El diseño de BeamMaker aun puede mejorar, sobre todo en el aspecto estético, quizás tener el apoyo de diseñadores industriales sería
perfecto para que BeamMaker no sólo sea funcional sino que además
estéticamente atractiva.
63
6 Conclusiones
Los objetivos de esta memoria fueron exitosamente logrados ya que se
diseñó, desarrollo y construyó una impresora 3D Open Source de tipo SLA.
Las pruebas de impresión muestran que la impresora imprime
exitosamente, sin embargo el desarrollo no está 100% completo, aun se
pueden hacer muchas mejoras y pruebas con otros polímeros que posean mejores propiedades mecánicas, para así obtener objetos funcionales. Este
desarrollo puede ser hecho por un siguiente memorista que quiera continuar
con la investigación de la impresora, lo interesante es que quedará On-line la
información para que futuros desarrollos sean logrados sin necesidad de caer
en repeticiones de lo que ya fue hecho en esta memoria.
El precio de la impresora es de alrededor de los 200.000 pesos chilenos
(400 dólares), sin contar el proyector, lo que es un precio muy por debajo,
de las impresoras 3D de su tipo, lo que cumple los objetivos iniciales de una
impresora de bajo costo.
El fotopolímero creado tiene características excelentes en cuanto al
curado, ya que su sensibilidad permite que con una cantidad de lúmenes
promedio (en cuanto a los proyectores comerciales) sea posible la curación
en un tiempo corto, pese a esto, el polímero tiene problemas con las propiedades mecánicas, es extremadamente quebradizo, muchas figuras
impresas se quebraban con tan solo tocarlas, esto hace que las figuras que
son impresas con este material no tengan mucha variedad en uso. Materiales
como el PLA y ABS (materiales que utilizan impresoras 3D de tipo FDM) tienen propiedades tales que permiten utilizarlos en múltiples usos, además
de tener una temperatura de trabajo bastante grande (hasta 60°C). Una
solución a esto consiste en utilizar un fotopolímero que se vende en Europa
de una empresa llamada SPOT-A-MATERIAL, el código del polímero es SPOT-
HT, tiene propiedades bastante cercanas al ABS Y PLA y tiene buenas características de curación ( tiempo de curado de 4 segundos con 2000
lúmenes para espesor de capa 0.1 mm).
En cuanto al diseño se logró obtener uno que fuera posible
compatibilizar con los requerimientos Open Source que se necesitaban, cabe recordar que otro objetivo era democratizar la invención 3D con
fotopolímeros y justamente para ello es necesario la creación de una
máquina de bajo costo, fácil construcción y posible de recrear sin grandes
conocimientos de mecánica ni electrónica, para esto fue creada BeamMaker
impresora que es posible obtener los planos y software mediante internet y comprar los materiales (electrónicos y mecánicos) desde múltiples
proveedores, permitiendo que cualquier persona pueda crear una de éstas
64
impresoras en su casa , el armado es tan simple que puede ser hecho a base
a seguir la guía de armado , el tiempo de armado es de alrededor de 30
minutos y el software muy fácil de usar.
La comparación con impresoras FDM mostraron que existe una mejora
no sólo en cuanto a la resolución en Z donde la tecnología de
fotopolimerización es claramente mejor, sino que mostró que en X-Y, es
capaz de lograr medidas más cercanas que de los objetos con una impresora FDM. Uno de los grandes problemas cuando se diseña en impresora FDM, es
que debes conocer el error de la impresora y deformar tu objeto digital para
así llegar a las medidas correctas en la figura real, obviamente nunca se
logra llegar a la medida exacta, por lo que hay aplicaciones en donde
realmente la tecnología FDM , no se puede utilizar.
Para la construcción se utilizó tecnología de fabricación digital, esta
tecnología ha estado desarrollándose y creciendo durante los últimos años,
ésta permite el diseño, personalización y creación de objetos funcionales en
la comodidad del hogar, dejando atrás el periodo donde la industria tenía el control de la fabricación y las personas sólo pueden elegir del stock que las
empresas ofrecen, por esto, a este desarrollo se le proclama como la
revolución de las fabricación digital ( a modo de compararlo con la revolución
industrial). En el futuro se espera que todas las personas tengan impresoras
3D de escritorio, donde podrán echar a volar su imaginación en la creación de objetos, también existirá un negocio de objetos virtuales, donde se podrá
comprar el archivo en internet, para luego imprimirlo con tu impresora. El
desarrollo de este tipo de máquinas, ha producido tal baja en el precio de las
impresoras que ya podrían llegar a verse en los hogares, se puede comparar
el fenómeno a lo ocurrido con el primer computador personal (que costaba en dinero actual unos 2500 dólares), actualmente los computadores se
encuentran en casi todas las casas y se pueden comprar por precios de
menos de 500 dólares, esto mismo se espera que suceda con las impresoras
3D, la creación de BeamMaker es un pequeño paso para que esto ocurra.
65
7 Bibliografía
[1] G. Stemp-morlock, “Personal fabrication,” Technology, vol. 53,
no. 1, pp. 2–3, 2009.
[2] C. Mota, “The rise of personal fabrication,” in Proceedings of the 8th
ACM conference on Creativity and cognitionn, 2011, p. 279.
[3] S. H. Masood, “Intelligent rapid prototyping with fused deposition
modelling,” Rapid Prototyping Journal, vol. 2, no. 1, pp. 24–33, 1996.
[4] B. Betts, “Bringing the factory home [personal fabrication technology],” Engineering Technology, vol. 5, no. 8, p. 56, 2010.
[5] H. Lipson and M. Kurman, “Factory @ Home : The Emerging
Economy of Personal Fabrication One of a Series of Occasional Papers in
Science and Technology Policy Hod Lipson and Melba Kurman,” Science and Technology, p. 103, 2010.
[6] N. Hopkinson and P. Dickens, “Rapid prototyping for direct
manufacture”, Rapid Prototyping Journal, vol. 7, no. 4, pp. 197–202, 2001.
[7] D. Holland, G. BENNETT, and G. O’DONNELL, “Open Design and
the Reprap Project,” in 27th International Manufacturing Conference, 2010,
pp. 97 – 106.
[8] P. E. Ceruzzi, A History of Modern Computing, vol. 2nd, no. 3,
MIT Press, 2003, p. 445.
[9] J. Muskin, M. Ragusa, and T. Gelsthorpe, “Three-Dimensional
Printing Using a Photoinitiated Polymer”, Journal of Chemical, vol. 87, no. 5, pp. 4–6, 2010.
[10] R. Knoppers and R. Hague, “CAD for Rapid Manufacturing,” Rapid
Manufacturing, pp. 39–54, 2006.
66
Anexos
Software
Fue separado en diferentes partes:
Arduino_Motor_control
import serial import time from time import sleep class ArduinoMotorControl(): def __init__(self, arduino_port): try: self.ser = serial.Serial(arduino_port, 9600) except Exception: print "Arduino no conectado" def move_up(self): try: self.ser.write("200u") self.ser.write("192d") except Exception: print "Arduino no conectado: subiendo bandeja un step" def move_down(self): try: self.ser.write("-") except Exception: print "Arduino no conectado: bajando bandeja un step" def move_up_steps(self, steps): try: self.ser.write(str(steps)+"u") except Exception: print "Arduino no conectado: subiendo bandeja "+str(steps)+" steps" def move_down_steps(self, steps): try: self.ser.write(str(steps)+"d") except Exception: print "Arduino no conectado: bajando bandeja "+str(steps)+" steps" def close_valve(self): try: self.ser.write("c") except Exception: print "Arduino no conectado: cerrando bandeja" def open_valve(self): try: self.ser.write("o") except Exception: print "Arduino no conectado: abriendo bandeja" def open_close_valve(self, time_open): self.open_valve() time.sleep(time_open) self.close_valve()
67
Animación import os from time import sleep from PyQt4 import QtCore, QtGui from PyQt4.Qt import QRect from PyQt4.QtGui import QWidget, QPainter, QApplication import PIL from PIL import Image from volumeAcumulator import acumulator def is_image(filename): """ File is image if it has a common suffix and it is a regular file """ if not os.path.isfile(filename): return False for suffix in ['.jpg', '.png', '.bmp']: if filename.lower().endswith(suffix): return True return False def load_file_list(folder): """ Find all images """ if folder[:-1]!="/": folder = folder + "/" files = [] images = [] index = 0 for filename in os.listdir(folder): files.append(folder+filename) #print filename return files #Volumen de activacion de la valvula ACTIVATION_VOLUME = 40 #Velocidad en mililitros por segundos SPEED = 1 #Calcula la cantidad de segundos que se debe abrir la valvula dado un volumen def getTimeFromVolume(volume): time = volume/SPEED return time class Display_images(QWidget):#QWidget): __pyqtSignals__ = ("timeChanged(QTime)", "timeZoneChanged(int)") def __init__(self, folder ='./animacion/', parent = None, seconds = 1, height = 1, arduino = None): #QtGui.QWidget.__init__(self, parent) #QtGui.QDialog.__init__(self, parent) QWidget.__init__(self) pDesktop = QApplication.desktop () self.folder = folder self.time_to_change = int(seconds*1000) self.black_time = 5000 self.delay_time = 10 #seconds self.arduino = arduino print "t = ",self.time_to_change, " tb = ", self.black_time self.timeZoneOffset = 0
68
self.i = 0 self.num_imagen = 0 self.para_blanco = 1 self.time = QtCore.QTime.currentTime() timer = QtCore.QTimer(self) self.connect(timer, QtCore.SIGNAL("timeout()"), self, QtCore.SLOT("update()")) self.connect(timer, QtCore.SIGNAL("timeout()"), self.updateTime) timer.start(1) self.imagenes = load_file_list(self.folder) self.label = QtGui.QLabel(self) self.label.setStyleSheet("QLabel { background-color : black;}"); self.label.setScaledContents(True) self.screen = None self.black_screen = QtGui.QPixmap() self.setWindowTitle(QtCore.QObject.tr(self, "DLI3D")) self.resize(800, 600) grid = QtGui.QGridLayout() grid.setContentsMargins(0,0,0,0) grid.addWidget(self.label, 1,0) self.setLayout(grid) RectScreen0 = pDesktop.screenGeometry (1); # Se conecta a proyectores -> importa la relacion de sus resoluciones. self.setGeometry(QRect(RectScreen0.left(), RectScreen0.top(), RectScreen0.width(), RectScreen0.height())) # x, y, w, h #Se crea un acumulador de volumen self.acumulator = acumulator(height) self.show() def paintEvent(self, event): time = QtCore.QTime.currentTime() ahora = time.hour()*60*60*1000+time.minute()*60*1000+time.second()*1000+time.msec() anterior = self.time.hour()*60*60*1000+self.time.minute()*60*1000+self.time.second()*1000+self.time.msec() #time = time.addSecs(self.timeZoneOffset * 3600) #time = time.addMSecs(self.timeZoneOffset * 3600000) #now = time.second() #print "ahora = ", ahora, "anterior = ", anterior if self.para_blanco%2 == 1: #print "para blanco: ", self.para_blanco if (anterior + self.black_time < ahora ) and (self.num_imagen < len(self.imagenes)): #print 'se cambia imagen' #print "cambia: ", self.imagenes[self.num_imagen] self.screen = QtGui.QPixmap(self.imagenes[self.num_imagen]) self.label.setPixmap(self.screen) sleep(self.delay_time) self.para_blanco += 1 self.num_imagen += 1 self.time = time else: #print "para blanco: ", self.para_blanco if (anterior + self.time_to_change + self.delay_time*1000 < ahora ): #print "borrar"
69
self.screen = self.black_screen self.label.setPixmap(self.screen) self.arduino.move_up() self.para_blanco += 1 self.time = time #Control de la valvula con Arduino self.acumulator.acumulate(self.imagenes[self.num_imagen-1]) if self.acumulator.getVolume() >= ACTIVATION_VOLUME: #openTime = getTimeFromVolume(self.acumulator.getVolume()) #self.acumulator.reset() self.arduino.open_close_valve(0.5) if self.num_imagen >= len(self.imagenes): self.label.clear() def minimumSizeHint(self): return QtCore.QSize(50, 50) def sizeHint(self): return QtCore.QSize(100, 100) def updateTime(self): self.emit(QtCore.SIGNAL("timeChanged(QTime)"), QtCore.QTime.currentTime()) # The timeZone property is implemented using the getTimeZone() getter # method, the setTimeZone() setter method, and the resetTimeZone() method. # The getter just returns the internal time zone value. def getTimeZone(self): return self.timeZoneOffset # The setTimeZone() method is also defined to be a slot. The @pyqtSignature # decorator is used to tell PyQt which argument type the method expects, # and is especially useful when you want to define slots with the same # name that accept different argument types. @QtCore.pyqtSignature("setTimeZone(int)") def setTimeZone(self, value): self.timeZoneOffset = value self.emit(QtCore.SIGNAL("timeZoneChanged(int)"), value) self.update() # Qt's property system supports properties that can be reset to their # original values. This method enables the timeZone property to be reset. def resetTimeZone(self): self.timeZoneOffset = 0 self.emit(QtCore.SIGNAL("timeZoneChanged(int)"), 0) self.update() # Qt-style properties are defined differently to Python's properties. # To declare a property, we call pyqtProperty() to specify the type and, # in this case, getter, setter and resetter methods. timeZone = QtCore.pyqtProperty("int", getTimeZone, setTimeZone, resetTimeZone) if __name__ == "__main__":
70
import sys app = QtGui.QApplication(sys.argv) clock = Display_images() sys.exit(app.exec_())
Get_volume from PIL import Image def countWhitePixels(image): img_I = Image.open(str(image)).getdata() whitePixels = 0 for pixel in list(img_I): if pixel == (255,255,255): whitePixels += 1 return whitePixels
Slices #Corta los objetos en rebanadas import os import subprocess def createSlices(height,output,path,step,layer_thickness): dir=output[:(-len(output)+output.find('.'))] os.chdir(os.path.join('..', 'bin', 'slicer')) print os.getcwd() cmd ="slice "+path+" -z0,"+str(height)+","+str(step)+" -l "+str(layer_thickness)+" --width=800 --height=600 --background=black --core=white -o "+output print cmd os.system(cmd)
Volume accumulator from getVolumeFromPixels import countWhitePixels import math PIXELS_IN_A_MILIMETER = 8 class acumulator: def __init__(self, height): self.totalVolume = 0 self.height = float(height) def getVolume(self): return self.totalVolume def reset(self): self.totalVolume = 0 def acumulate(self, imagePath): pixels = countWhitePixels(imagePath) #print pixels area = pixels*math.pow((1.0/PIXELS_IN_A_MILIMETER),2.0) #print area #print self.height volume = area*self.height self.totalVolume += volume #print self.totalVolume
Control Arduino #programa que va al interior del Arduino
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#include <AccelStepper.h> #include <AFMotor.h> #include <Servo.h> AF_Stepper motor1(200, 2); Servo myservo; int pos = 0; int SPEED = 50; int STEP = 5; int MAXPOS = 90; String inString = ""; String steps= ""; // you can change these to DOUBLE or INTERLEAVE or MICROSTEP! void forwardstep() { motor1.onestep(FORWARD, SINGLE); } void backwardstep() { motor1.onestep(BACKWARD, SINGLE); } // use functions to step AccelStepper stepper(forwardstep, backwardstep); void setup() { // set up Serial library at 9600 bps Serial.begin(9600); Serial.println("Stepper program!"); stepper.setMaxSpeed(200.0); stepper.setAcceleration(100.0); myservo.attach(9); myservo.write(pos); } void loop() { } void open_valve(){ for(pos = 0; pos < MAXPOS; pos += 1) // goes from 0 degrees to 180 degrees { // in steps of 1 degree myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos' delay(1); // waits 15ms for the servo to reach the position } } void close_valve(){ for(pos = MAXPOS; pos>=1; pos-=1) // goes from 180 degrees to 0 degrees { myservo.write(pos); // tell servo to go to position in variable 'pos' delay(1); // waits 15ms for the servo to reach the position } } void serialEvent() { while (Serial.available()) { int inChar = Serial.read(); Serial.print("Echo:"); Serial.write(inChar); Serial.println(); if (isDigit(inChar)) { steps += (char)inChar; } if (inChar == 'u') { Serial.print("Up:"+steps); Serial.println();
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long POSITION = stepper.currentPosition()+steps.toInt(); stepper.runToNewPosition(POSITION); steps= ""; } if (inChar == 'd') { Serial.print("Down:"+steps); Serial.println(); long POSITION = stepper.currentPosition()-steps.toInt(); stepper.runToNewPosition(POSITION); steps= ""; } if (inChar == '.') { long POSITION = stepper.currentPosition()+STEP; stepper.runToNewPosition(POSITION); } if (inChar == '-') { long POSITION = stepper.currentPosition()-STEP; stepper.runToNewPosition(POSITION); } if (inChar == 'o') { if(!pos){ open_valve(); } } if (inChar == 'c') { if(pos){ close_valve(); } } } }
i
Cant 2
30
123
42
155
47,50 20 47,50 20 20
Cant 2
Cant 1
Planos Piscina , espesor 6 mm. escala 1:1
12
3
155
10
8
5
12
4
2
1
11
9
7
6
3
13
Varios4 kg
Ariel Calderón
BeamMaker
1
BeamMaker
PESO:
A3
HOJA 1 DE 1ESCALA:1:5
N.º DE DIBUJO
TÍTULO:
MATERIAL:
FECHAFIRMANOMBRE
CALID.
FABR.
APROB.
VERIF.
DIBUJ. 24/09/2012
Nª Elemento Nª de pieza Descripción Cantidad
1 Piezas acrìlicas Varias
desde 2 planchas de 900x600,
espesor 6 mm27
2 Piscina Medidas desde archivo 1
3 Tornillo de bolas recirculantes 5mm de paso 1
4 Ejes Acero plata 10 mm 25 Lupa 5x ;ø90 mm 1
6 Motor paso a paso 0,24N/m, 200 steps, 1,8ª, hasta 1 Amp. 1
7 Arduino UNO 1
8 Buje soporta rodamiento
Imprimir desde impresora 3D 2
9 Acople motor-tornillo 3/8 x 1/4 1
10 Espejo FSM 1
11 Pernos 6-32 68
12 Insertos 6-32 cant 8 y 1/4-20 cant 3 11
13 Perno botón Para pies 1/4 3